我國城市天然氣替代燃煤集中供暖的大氣污染減排效果

龐 軍，吳 健，馬 中，梁龍妮，張婷婷 （中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100872）

我國城市天然氣替代燃煤集中供暖的大氣污染減排效果

龐 軍，吳 健*，馬 中，梁龍妮，張婷婷 （中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100872）

基于國家發(fā)改委“天然氣利用政策”中的天然氣利用領(lǐng)域，利用等熱值替代方法計算不同領(lǐng)域天然氣替代后的污染物減排效果，從大氣污染減排角度對天然氣各個利用領(lǐng)域的優(yōu)先次序重新排列，并對2010年全國15個重點供暖城市天然氣替代燃煤集中供暖的大氣污染物減排量進行測算.結(jié)論表明:天然氣集中供暖的大氣污染減排效果排序處于前列，城市利用天然氣替代燃煤集中供暖對CO2、顆粒物（PM）、SO2和NOx都有較明顯的減排效果.2010年我國15個重點城市如果采用天然氣集中供暖，共可減少CO2排放量2190.71萬t、顆粒物（PM）排放量734.24萬t、SO2排放量40.21萬t、NOx排放量22.56萬t.

天然氣；城市；集中供暖；大氣污染；減排

當(dāng)前，我國城市空氣污染出現(xiàn)加劇的局面，以頻繁的霧霾天氣為主要特征的城市空氣污染嚴重危害居民健康.我國城市冬季供暖主要依賴燃煤，導(dǎo)致城市冬季大氣環(huán)境質(zhì)量更差.天然氣作為清潔能源，在替代燃煤改善空氣質(zhì)量方面具有優(yōu)勢:一方面，天然氣的能源利用效率普遍高于燃煤；另一方面，天然氣作為比較清潔的能源，其燃燒產(chǎn)生的污染相比煤炭要明顯降低［1］.近年來，已有學(xué)者針對天然氣利用的環(huán)境效益開展了評估.胡奧林等［2］以成都市區(qū)為例，指出利用天然氣替代燃煤作為工業(yè)燃料，有利于市區(qū)總懸浮顆粒物和SO2濃度的下降并給城市居民帶來顯著的健康效益.趙立軍等［3］指出利用天然氣替代石油、煤炭和機動車燃油，可減少溫室氣體排放，基本消除煙塵和SO2污染，大大減少CO、揮發(fā)性有機化合物、NOx、鉛以及粉塵等有害物質(zhì)的排放.張中秀［4］以我國5個特大城市為例，分析了發(fā)電、供熱、工業(yè)、居民和商業(yè)炊事以及汽車等領(lǐng)域采用天然氣替代后粉塵、SO2、NOx等大氣污染物和CO2的減排效果.Chen等［5］以上海為例指出將天然氣用于發(fā)電、工業(yè)、商業(yè)及居民生活，可以顯著減少SO2和PM10排放，并降低CO2排放量.李健等［6］對京津冀地區(qū)脫硝技術(shù)與天然氣應(yīng)用的情景進行模擬分析后指出，脫硝技術(shù)應(yīng)用及天然氣使用比例增大會顯著降低京津冀地區(qū)空氣中的NOx和PM2.5的濃度.

特別地，也有學(xué)者對城市煤改氣方案的實施效果進行了評價.歐春華等［7］基于對重慶市煤改氣規(guī)模與范圍的調(diào)查分類，對煤改氣的技術(shù)經(jīng)濟可行性以及環(huán)境效益進行了分析，研究認為:實施煤改氣工程，不僅能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益，而且大大削減了重慶市主城區(qū)的大氣污染物排放量，有效緩解了主城區(qū)的大氣污染.毛顯強等［8］以北京和重慶為案例城市，研究結(jié)果表明，在人口與經(jīng)濟活動高度集中的大城市，使用天然氣作為民用燃料，可有效降低非點源大氣污染物的排放以及低空污染物的濃度，從而產(chǎn)生明顯的環(huán)境效益，具有顯著的費用-效益比較優(yōu)勢.

近年來，國內(nèi)對天然氣巨大的市場需求推動了煤制氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)有學(xué)者基于生命周期碳排放清單的角度，就煤制氣的環(huán)境效益進行了評估.付子航［9］將煤制天然氣（SNG）的全生命周期分為煤炭上游開采和洗選、煤炭運輸、經(jīng)SNG工廠加工轉(zhuǎn)換、SNG管道運輸和SNG終端使用，并將其與煤層氣（CBM）、液化天然氣（LNG）和管輸天然氣（PNG）的碳排放進行比較，得到SNG的碳排放甚至高于燃煤.如果僅從SNG在城市的終端使用來看，可以作為一種清潔能源，但SNG成本高且過程并不“低碳”.

本文從促進城市天然氣利用改善城市空氣質(zhì)量這一角度出發(fā):首先基于國家發(fā)改委所頒布“天然氣利用政策”中的天然氣利用領(lǐng)域，利用等熱值替代方法計算不同領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)天然氣替代后相同熱值的大氣污染物減排量；然后，通過無量綱化方法計算污染物減排綜合指數(shù)，并從大氣污染減排角度對天然氣各利用領(lǐng)域的優(yōu)先次序重新排列；最后，以2010年為例，測算全國15個重點供暖城市如果利用天然氣替代燃煤集中供暖可帶來的大氣污染物減排量.

1 研究對象及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究對象

為了基于大氣污染減排效果識別天然氣利用的優(yōu)先領(lǐng)域，對國家發(fā)改委“天然氣利用政策”中天然氣各利用領(lǐng)域所對應(yīng)的能源替代項目進行識別，確定了6大天然氣利用領(lǐng)域和10個能源替代項目（表1）.

在污染物選擇上，一方面考慮常規(guī)的大氣污染物，選取SO2、NOx、CO和顆粒物（PM）；另一方面考慮到大氣污染物和溫室氣體排放的關(guān)聯(lián)性［10］，選取主要的溫室氣體CO2.

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所需的污染物排放系數(shù)數(shù)據(jù)較多，而目前國內(nèi)公開出版的資料中并沒有本文所需全部污染物排放系數(shù)的權(quán)威數(shù)據(jù)，因此本文所需數(shù)據(jù)只能從現(xiàn)有多個資料中零星地獲得，數(shù)據(jù)來源相對比較分散；另外，盡管作者在數(shù)據(jù)收集過程中盡量選擇了相對可靠的數(shù)據(jù)，但不可避免會存在一些誤差.

不同領(lǐng)域的CO2排放參數(shù)來源于IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories［11］；SO2、CO和顆粒物排放系數(shù)來源于《排污申報登記實用手冊》［12］、《第一次全國污染源普查城鎮(zhèn)生活源產(chǎn)排污系數(shù)手冊》［13］和《家用燃料氣態(tài)燃燒產(chǎn)物對室內(nèi)空氣污染的初步評估》［14］，炊事領(lǐng)域顆粒物排放系數(shù)由于國內(nèi)數(shù)據(jù)不可得，參照了美國EPA的Emissions Factors AP42［15］；汽油車、柴油車污染物排放系數(shù)來源于:《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》（GB 18352.3—2005）［16］和《中國不同排放標(biāo)準機動車排放因子的確定》［17］；天然氣汽車相關(guān)數(shù)據(jù)則來源于Emissions variation in urban areas resulting from the introduction of natural gas vehicles: Application to Barcelona and Madrid Greater Areas （Spain）［18］、Carbon dioxide emissions from diesel and compressed natural gas buses during acceleration［19］和《CNG汽車改裝技術(shù)和效益分析》［20］. NOx排放系數(shù)主要來源于《排污申報登記實用手冊》.由于現(xiàn)行大氣污染排放標(biāo)準中規(guī)定了燃煤發(fā)電、天然氣發(fā)電、天然氣集中供暖的NOx排放限值，本文基于上述標(biāo)準限值測算了燃煤發(fā)電、天然氣發(fā)電和天然氣集中供暖的NOx排放系數(shù).原有能源系統(tǒng)的污染物排放系數(shù)和利用天然氣的污染物排放系數(shù)如表1、表2所示.

表1 天然氣利用前原有能源系統(tǒng)的污染物排放系數(shù)Table 1 Emission factors of pollutants with current fuel in different utilization fields

表2 天然氣在各種利用領(lǐng)域的污染物排放系數(shù)Table 2 Emission factors of pollutants with natural gas in different utilization fields

2 基于大氣污染減排效果的天然氣利用領(lǐng)域優(yōu)先排序

2.1 各領(lǐng)域利用天然氣的污染物減排系數(shù)

首先，根據(jù)不同能源間的熱值關(guān)系，確定等熱值污染物排放系數(shù)，將原始數(shù)據(jù)的排放系數(shù)轉(zhuǎn)換成單位熱值污染物排放量.以《綜合能耗計算通則》（GB/T 2589-2008）標(biāo)準為轉(zhuǎn)換依據(jù)（表3），將每種能源的污染物排放系數(shù)統(tǒng)一規(guī)定為每百萬千卡（106kcal）熱值的污染物排放量.

然后，通過等熱值替代法，分別得到原有燃煤系統(tǒng)的污染物排放系數(shù)和利用天然氣后的污染物排放系數(shù)，將二者之間的差值定義為利用天然氣替代燃煤后的污染物減排系數(shù)，即不同領(lǐng)域利用百萬千卡熱值天然氣替代等熱值燃煤后的污染物減排量.

從表4的數(shù)值可以看出，實現(xiàn)等熱值天然氣替代燃煤后，相比SO2、CO、NOx和顆粒物這4項常規(guī)污染物的減排量來看，CO2的減排幅度最大；從顆粒物（PM）減排來看，供暖和發(fā)電領(lǐng)域利用天然氣的效果更好；從SO2及CO減排來看，生活用氣領(lǐng)域天然氣替代家用煤爐炊事的效果更好；從NOx減排來看，天然氣集中供暖的效果更好；從CO2減排來看，生活用氣領(lǐng)域天然氣替代液化石油氣炊事的效果更好.

表3 不同類型能源間的熱值轉(zhuǎn)換關(guān)系Table 3 Heating values of different forms of energy

2.2 天然氣利用領(lǐng)域優(yōu)先排序

為了比較各能源替代項目對污染物的減排效果，本文將實現(xiàn)等熱值替代后各能源替代項目的污染物減排量進行無量綱化，并對同一能源替代項目每種污染物減排的無量綱系數(shù)求和，將該和定義為污染物減排綜合指數(shù)；然后根據(jù)污染物減排綜合指數(shù)大小對不同天然氣利用領(lǐng)域進行排序，減排綜合指數(shù)越大的天然氣利用領(lǐng)域，其排序越優(yōu)先.

一般來說，無量綱化有3種常用方法，極值化方法、標(biāo)準化方法以及均值化方法.由于極值化法與均值化法在消除量綱和數(shù)量級影響的同時，保留了各變量在取值差異程度上的信息，差異程度越大的變量對綜合分析的影響越大.而標(biāo)準化方法在無量綱化的同時，消除了各變量在變異程度上的差異，從而使得轉(zhuǎn)換后的各變量被同等看待.鑒于本研究將5種污染物減排指標(biāo)設(shè)置為等權(quán)重，故選擇標(biāo)準化方法無量綱化.標(biāo)準化方法的公式為:

表4 百萬千卡熱值天然氣替代的污染物減排因子（kg/106kcal）Table 4 Emission reduction factors of air pollutants from fuel replacement of per million calories heating value of natural gas （kg/106kcal）

首先，依據(jù)表4中的不同領(lǐng)域利用百萬千卡熱值天然氣替代燃煤后的污染物減排量，分別對5類污染物的減排系數(shù)采取標(biāo)準化方法無量綱化，得到表5中SO2、NOx、CO、CO2和顆粒物（PM）這5類污染物分別在10個能源替代項目中的“標(biāo)準化減排系數(shù)”.然后，對同一能源替代項目無量綱化后的各種污染物的標(biāo)準化減排系數(shù)求和，獲得各能源替代項目的污染物減排綜合指數(shù).最后，根據(jù)污染物減排綜合指數(shù)值，得到不同天然氣利用領(lǐng)域的大氣污染減排效果排序，綜合指數(shù)值越高排序越靠前，如表5所示.

由表5可以看出，在各個天然氣利用領(lǐng)域中，大氣污染減排效果排在第1位的是天然氣集中供暖，分戶式燃氣供暖與分布式能源的綜合減排量分別排在第2、3位，處于第4位的是天然氣發(fā)電，排在第5位的是生活用氣領(lǐng)域中的天然氣替代家用煤爐炊事，第6位的則是生活用氣領(lǐng)域中的天然氣替代液化石油氣炊事.液化石油氣本身相對比較清潔，除了在CO2一項減排量較為明顯之外，其綜合減排指數(shù)的排序并不靠前.由于國三標(biāo)準與國四標(biāo)準已經(jīng)相對嚴格，所以利用天然氣汽車替代國三標(biāo)準與國四標(biāo)準下的柴油輕型車與汽油輕型車，污染物減排效果相比其他領(lǐng)域并不明顯.

表5 天然氣不同利用領(lǐng)域的大氣污染減排效果排序Table 5 Ranks of different natural gas utilization fields by effectiveness of air pollutant reductions

天然氣集中供暖替代燃煤集中供暖、分戶式燃氣供暖替代燃煤集中供暖、分布式能源替代燃煤集中供暖、天然氣發(fā)電替代燃煤發(fā)電的大氣污染減排效果較為顯著，其中天然氣供暖（包括集中供暖、分戶式燃氣供暖和分布式能源）的大氣污染減排效果排序處于前列.

3 天然氣替代燃煤集中供暖的大氣污染減排量測算

根據(jù)上述對各利用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)天然氣替代后的大氣污染減排效果分析，利用天然氣替代燃煤集中供暖，在SO2、NOx、CO2、顆粒物（PM）4項指標(biāo)上均具有明顯的污染減排效果，而且集中供暖用煤量巨大，有望產(chǎn)生可觀的大氣污染減排量.

目前我國冬季集中供暖地區(qū)共有15個省、治區(qū)和直轄市，分別為黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古、北京、天津、河南、河北、山西、山東、甘肅、新疆、陜西、青海、寧夏.為便于研究，這里選取這15個地區(qū)的直轄市、省會或首府，即哈爾濱、長春、沈陽、呼和浩特、北京、天津、鄭州、石家莊、太原、濟南、蘭州、烏魯木齊、西安、西寧、銀川，以2010年的數(shù)據(jù)為例，對這15個城市如果采用天然氣替代燃煤集中供暖的大氣污染物減排量進行測算.

首先，測算15個重點供暖城市的建筑體供熱能耗:

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準JGJ 26-2010《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準》，得到建筑采暖耗能量指標(biāo)計算公式:

式中:qc表示采暖能源消耗量指標(biāo)（kg標(biāo)準煤/ m2）；qH表示建筑物耗熱量指標(biāo)（W/m2），鑒于目前大部分建筑采暖能耗尚未達到標(biāo)準JGJ 26-2010《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準》所規(guī)定的建筑物耗熱量指標(biāo)，這里以標(biāo)準JGJ 26-95《民用建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準（采暖居住建筑部分）》中的建筑物耗熱量指標(biāo)為標(biāo)準，計算各城市單位供暖面積能源消耗量； Z表示采暖期天數(shù)（d），這里取法定采暖期天數(shù)； Hc表示標(biāo)準煤熱值，取8.14×103W·h/kg； η1表示室外管網(wǎng)輸送效率，在非節(jié)能狀態(tài)下為85%，節(jié)能狀態(tài)下為90%，本研究取90%； η2表示鍋爐運行效率，根據(jù)機械行業(yè)標(biāo)準JBT 10094-2002《工業(yè)鍋爐通用技術(shù)條件》，本研究將燃氣鍋爐運行效率取90%.

表6 2010年15個重點供暖城市的建筑體供熱能耗Table 6 Energy consumption of buildings for central heating in 15 major cities in 2010

從《中國城市建設(shè)統(tǒng)計年鑒》（2011）查到2010年這15個重點供暖城市的供暖面積，乘以各城市單位供暖面積能源消耗量，得到各城市的建筑體供熱能耗（表6）.

最后，根據(jù)表6中各城市2010年的建筑體供熱能耗和表4中天然氣替代燃煤集中供暖的5種污染物減排系數(shù)，得到這15個重點供暖城市2010年如果用天然氣替代燃煤集中供暖可以獲得的大氣污染物減排量（表7）.

從表7可以看出，在我國15個重點供暖城市中，2010年如果采用天然氣替代燃煤集中供暖，共可以減少CO2排放量2190.71萬t、顆粒物（PM）排放量734.24萬t、SO2排放量40.21萬t、NOx排放量22.56萬t、CO排放量3.49萬t，表明城市利用天然氣替代燃煤集中供暖對CO2、顆粒物（PM）、SO2和NOx都有較明顯的減排效果.在這15個城市中，減排效果排在前5位的城市依次是北京、沈陽、天津、哈爾濱和長春，其中供熱面積最大的北京市大氣污染減排效果最為顯著.具體來說，北京市2010年如果采用天然氣替代燃煤集中供暖，CO2減排量可達到502.24萬t，顆粒物（PM）減排量可達到168.33萬t，SO2減排量可達到9.22萬t，NOx減排量可達5.17萬t，CO減排量可達8000t.這里需要指出的是，2010年北京市已經(jīng)投入10.01億m3天然氣用于替代燃煤集中供暖，相當(dāng)于約有三分之一的供熱面積已經(jīng)實現(xiàn)了天然氣供暖，由此當(dāng)年北京市已實際獲得了三分之一的大氣污染減排量.

表7 2010年15個重點供暖城市天然氣替代燃煤集中供暖的大氣污染物減排量（萬t）Table 7 Air pollutant reductions from replacement of coal with natural gas for central heating in 15 major cities in 2010 （104tons）

本文僅對城市利用天然氣替代燃煤集中供暖的大氣污染減排效果進行了分析，并沒有考察這種替代的經(jīng)濟可行性及效益.在后續(xù)研究中，可以通過引入劑量-反應(yīng)函數(shù)等方法對大氣污染減排帶來的健康效益進行測算，并據(jù)此對天然氣替代燃煤集中供暖進行詳細的費用-效益分析，考察這一替代的經(jīng)濟可行性及效益，以更全面了解城市天然氣替代燃煤集中供暖的綜合效益.

4 結(jié)論

4.1 在國家發(fā)改委“天然氣利用政策”中的6大天然氣利用領(lǐng)域中，大氣污染減排效果排序處于前3位的分別是天然氣集中供暖替代燃煤集中供暖、分戶式燃氣供暖替代燃煤集中供暖、分布式能源替代燃煤集中供暖.從減少大氣污染促進城市空氣質(zhì)量改善的角度來說，天然氣供暖（包括集中供暖、分戶式燃氣供暖和分布式能源）在我國城市具有較高的推廣價值.

4.2 在我國15個重點供暖城市中，2010年如果采用天然氣替代燃煤集中供暖，共可減少CO2排放量2190.71萬t、顆粒物（PM）排放量734.24萬t、SO2排放量40.21萬t、NOx排放量22.56萬t、CO排放量3.49萬t，表明城市利用天然氣替代燃煤集中供暖對CO2、顆粒物（PM）、SO2和NOx都有較明顯的減排效果.在這15個城市中，減排效果排在前5位的城市依次是北京、沈陽、天津、哈爾濱和長春，其中北京市的減排效果最為顯著.

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Air pollution abatement effects of replacing coal with natural gas for central heating in cities of China.

PANG Jun，WU Jian*， MA Zhong， LIANG Long-ni， ZHANG Ting-ting （School of Environment and Natural Resources， Renmin University of China， Beijing 100872， China）. China Environmental Science， 2015，35（1）：55～61

Targeting on the different gas utilization fields promulgated in the “Natural Gas Utilization Policy” by National Development and Reform Commission of China， this paper measured the emission reduction effects of replacing current fuels with equivalent calorific value of natural gas， and based on these measurements， re-ranked the priority of different gas utilization fields. The results show that: the air pollution abatement effects of natural gas heating ranks at the top level among all different utilization fields. This paper also calculated the scale of air pollutant abatement effect by replacing coal with natural gas for central heating in 15major heating cities of China in 2010， and proved that significant emission reduction effects on CO2（21.91 million tons）， particulate material （7.34 million tons），SO2（402.1 thousand tons） and NOx （225.6 thousand tons） can be achieved by converting fuel from coal to natural gas in central heating in cities of China.

natural gas；city；central heating；air pollution；emission reduction

X513

A

1000-6923（2015）01-0055-07

龐 軍（1971-），男，湖北荊門人，副教授，博士，研究方向為能源與環(huán)境經(jīng)濟學(xué).發(fā)表論文20余篇.

2014-04-07

中國人民大學(xué)科學(xué)研究基金（中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助）項目（14XNJ008）

* 責(zé)任作者， 教授， jianwu@ruc.edu.cn